Как оптимизировать технологию зарядки малогабаритных батарей в гибридных автомобилях

Гибридные электромобили делятся на три категории: не подключаемые гибриды (HEV), мягкие гибриды на 48 В (MHEV) и подключаемые гибриды (PHEV). Все они оснащены вспомогательными батареями малой емкости — высоковольтными маломощными батареями для HEV, литиевыми батареями для мягких гибридов на 48 В и низковольтными батареями автомобиля на 12 В. Емкость этих батарей обычно составляет 1–25 кВт·ч, и их основная задача — служить буферной передающей станцией энергии, а не накопителем энергии на большие расстояния.

В отрасли принято делить уровень заряда батареи на зону принудительной зарядки (SOC < 20%), зону оптимизированной зарядки (20–40%), зону нейтрального баланса (40–70%), зону оптимизированного разряда (70–80%) и зону принудительного разряда (SOC > 80%). Нейтральная зона — это оптимальный рабочий диапазон батареи, в котором система обеспечивает лишь незначительную зарядку во время торможения и движения накатом, а двигатель заряжает избыточную мощность по требованию в высокоэффективном режиме. Когда уровень заряда превышает 80%, рекуперация энергии отключается, приоритет отдается высвобождению электрической энергии для помощи движению и предотвращения высокопотенциального старения элементов. Когда уровень заряда ниже 20%, двигатель запускается для активной выработки электроэнергии для дополнительной мощности, запрещая разряд сильным током, чтобы предотвратить повреждение элементов литиевым покрытием. Японские гибридные автомобили используют эту стратегию для более чем двукратного увеличения срока службы батареи и обеспечения долгосрочной гарантии.

Система регулирует базовый уровень заряда батареи в режиме реального времени в зависимости от дорожных условий, нагрузки и температуры окружающей среды: в условиях плотной городской застройки целевой уровень заряда увеличивается до 60% для резервирования достаточной емкости для поглощения энергии частого торможения; при движении по автомагистрали он снижается до 45% для уменьшения дополнительной нагрузки на двигатель; зимой базовый уровень заряда увеличивается на 10% для компенсации снижения емкости при зарядке при низких температурах. По сравнению со стратегией с фиксированным уровнем заряда, общее энергопотребление автомобиля может быть снижено на 5–8%.

Для решения проблемы низковольтных 12-вольтовых батарей, PHEV/HEV оснащены механизмом мониторинга сна: после блокировки автомобиля периодически проверяется напряжение низкого напряжения. Если оно падает ниже порогового значения, автоматически активируется высоковольтная зарядка DC-DC низкого напряжения, чтобы предотвратить отказ батареи при длительной стоянке; В процессе зарядки используется импульсный низкоток, что позволяет избежать непрерывной зарядки высоким током, вызывающей потерю воды и старение батареи, и решает проблему повреждения низковольтной батареи во время длительной стоянки гибридных автомобилей.

Система определяет мощность зарядки на основе скорости автомобиля, интенсивности торможения, уклона и состояния батареи: при плавном торможении в городских условиях (30–60 км/ч) используется рекуперативное торможение на полной мощности; пиковый зарядный ток ограничивается при экстренном торможении на высокой скорости для предотвращения перегрева батареи; интенсивность рекуперативного торможения автоматически увеличивается в 1,5 раза на длинных спусках для полного восстановления гравитационной потенциальной энергии; при срабатывании ABS во время экстренного торможения приоритет отдается безопасности механического торможения, а мощность рекуперативной зарядки линейно снижается, обеспечивая баланс между безопасностью и энергоэффективностью. Реальные испытания показывают, что этот алгоритм может повысить эффективность рекуперации энергии в городских условиях с 62% до 78%, снизив общий расход топлива автомобиля на 10–15%.

Традиционная сегментированная логика страдает от задержки отклика. Алгоритм управления нового поколения объединяет нечеткую логику, оптимизацию роя частиц (PSO) и модель прогнозирующего управления. Система предугадывает намерение водителя замедлить движение за 1–3 секунды, плавно регулируя зарядный момент для устранения скачков тока; в сочетании с распознаванием светофоров и уклонов с помощью навигационного радара, она заранее регулирует интенсивность рекуперативного торможения, обеспечивая «прогнозируемую зарядку». По сравнению с традиционными методами управления, колебания зарядного тока снижаются на 60%, значительно улучшается стабильность напряжения элементов, а срок службы увеличивается на 12%.

Блок управления двигателем (VCU) автомобиля, совместно с системой управления батареей (BMS) и контроллером двигателя, распределяет тормозное усилие между передней и задней осями, максимизируя коэффициент рекуперативного торможения двигателя в пределах нормативных требований безопасности. При низкой интенсивности торможения 100% зарядки осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой двигателем; при средней интенсивности торможения используется электромеханическая связь; а при высокой интенсивности торможения доля механического торможения постепенно увеличивается. Одновременно с этим, силовые элементы из карбида кремния в двунаправленном инверторе оптимизированы для снижения потерь при преобразовании энергии, что повышает эффективность преобразования зарядной цепи до более чем 96%.

После включения при низких температурах система отдает приоритет использованию тепла, выделяемого двигателем, и тепла, выделяемого тепловым насосом, для предварительного нагрева батареи до температуры выше 10 °C перед началом зарядки высокой мощности. В 48-вольтовых моделях с мягким гибридным двигателем можно использовать двигатель BSG для кратковременного вспомогательного обогрева. Во время зарядки на стоянке подключается тепловой насос салона для одновременного поддержания температуры, предотвращая осаждение литиевых дендритов во время зарядки при низких температурах и высоком токе. Применение этого решения зимой увеличивает емкость зарядки за счет рекуперативного торможения на 10% и снижает скорость деградации батареи на 40%.

Во время высокоскоростного непрерывного рекуперации энергии летом температура батареи быстро повышается. Система управления батареей (BMS) динамически поэтапно снижает зарядный ток, одновременно активируя микроканальное водяное охлаждение и структуру с фазоизменяющимся материалом (PCM) для поддержания постоянной температуры элементов, контролируя разницу температур в пределах 3 °C, предотвращая локальный перезаряд и старение элементов. Легкая система жидкостного охлаждения снижает энергопотребление на рассеивание тепла на 15%, обеспечивая баланс между эффективностью зарядки и общим энергопотреблением автомобиля.

Отработанное тепло, выделяемое цепью и элементами батареи во время зарядки, поступает в контур теплового насоса для обогрева салона и изоляции батареи, снижая тепловую нагрузку двигателя и образуя замкнутый цикл «зарядка – выработка тепла – повторное использование», что дополнительно снижает расход топлива автомобиля.

Система блокирует двигатель в экономичном диапазоне оборотов 2000–3500 об/мин. В этом диапазоне избыточный крутящий момент приводит в движение генератор для зарядки небольшой батареи. При движении в гору на низкой скорости и с высокой нагрузкой активная генерация мощности прекращается, и вся мощность используется для привода колес, предотвращая отклонение двигателя от его эффективного диапазона и увеличение расхода топлива.

Когда автомобиль движется накатом с отпущенной педалью акселератора, подача топлива двигателем прекращается, и двигатели BSG/ISG генерируют электроэнергию на полной мощности для зарядки батареи. Это использует инерцию автомобиля для восполнения энергии, обеспечивая накопление энергии с нулевым расходом топлива. На длинных спусках подача топлива двигателем полностью прекращается, и для балансировки скорости автомобиля используется рекуперативная зарядка.

При активации мощных низковольтных нагрузок, таких как кондиционер и подогрев сидений, система отдает приоритет использованию электрической энергии малой батареи, сокращая время работы двигателя на холостом ходу и снижая расход топлива на холостом ходу. Одновременно она непрерывно пополняет батарею, используя энергию, рекуперированную во время движения, образуя энергетический цикл.

Предложенный подход решает проблемы, связанные со сроком службы батареи, за счет использования алгоритма прогнозируемого рекуперативного торможения для раскрытия потенциала восстановления кинетической энергии, двухрежимного терморегулирования для устранения потерь при зарядке, вызванных перегревом, комбинированной топологии накопителя энергии и двунаправленного преобразователя для повышения мгновенной емкости зарядки, а также стратегии совместной генерации электроэнергии автомобилем и двигателем для балансировки расхода топлива и потребностей в хранении энергии.